風(fēng)致船舶走錨關(guān)系研究

張國安+向成

摘 要：本文根據(jù)代表船舶在錨泊狀態(tài)下不同吃水、不同風(fēng)舷角情況計算船舶錨鏈受力情況，與船舶錨系留力和主機推力的大小比對，分析船舶在某種吃水狀態(tài)下風(fēng)致走錨的最低風(fēng)力。根據(jù)實際船舶走錨風(fēng)力大小的案例，驗證計算方法的可靠性。提供一種簡便的方法，對計算船舶在錨泊情況下防臺走錨的可能性有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng) 風(fēng)力 風(fēng)舷角 走錨

1.前言

船舶作為水上運輸主要交通工具運輸旅客及貨物極易受到風(fēng)力影響，船舶抗風(fēng)能力涉及船舶甲板上部分建筑和甲板下水面上各部分動力學(xué)受力的綜合內(nèi)容。隨著航海和社會各方面的快速發(fā)展，船舶抗風(fēng)能力日益提高，但是日益復(fù)雜變化的極端天氣也頻發(fā)，特別是臺風(fēng)天氣對于船舶錨泊安全帶來嚴重影響。目前，船舶抗風(fēng)能力的大小對于大部分船舶來說無具體數(shù)據(jù)可查，船舶在錨泊狀態(tài)下在何種風(fēng)力風(fēng)向會導(dǎo)致走錨無具體數(shù)據(jù)可查。本文主要針對船舶在不同吃水狀態(tài)下所受的風(fēng)力與船舶走錨之間的量化關(guān)系進行探討，提供一種簡便的方法，計算船舶在錨泊情況下防臺，如何提前采取措施預(yù)防走錨，保障人命和財產(chǎn)安全。

2.船舶錨泊所受錨的系留力大小分析

錨的系留力是指船舶處在錨泊狀態(tài)時所受到的約束力，也稱為錨泊力。受重力的作用，錨泊船的出鏈長度分為兩個部分，懸垂在水中的部分稱為懸鏈長度，平臥在海底的部分稱為臥底鏈長。臥底鏈長與海底的摩擦力稱為鏈的抓力，它增加了錨泊力，故錨泊力由錨的抓力和錨鏈的抓力兩部分組成，即：

式中：P為系留力（錨的抓力+錨鏈的補充抓力）（N）；Wa為錨在水中的質(zhì)量（空氣中質(zhì)量×0.867）（kg）；λa為錨抓力系數(shù)；Wc為錨鏈在水中的質(zhì)量（kg/m）；λc為錨鏈的摩擦系數(shù)；L1為錨鏈臥底部分的長度（m）。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，裝備在船首兩舷錨的重量取決于船舶的舾裝數(shù)。然而錨的形狀卻未予規(guī)定。船首錨常用錨型為霍爾錨（無桿錨）。錨的抓底性能與底質(zhì)、錨型和出鏈長度和水深之比均有關(guān)?？陀^上主要決定于底土的底質(zhì)，軟硬適度的沙底和泥土底質(zhì)抓力較好，沙泥混合次之，硬質(zhì)泥沙較差，石底最差。根據(jù)相關(guān)文獻研究，霍爾錨在泥沙底質(zhì)中，抓力系數(shù)為5.8。珠江水域部分船舶使用粵桂錨（類似大抓力錨的有桿錨）作首錨，抓力系數(shù)比霍爾錨大，但低于大抓力錨，約為7。另外，拋雙錨必須為一點錨（平行錨，即兩錨鏈夾角為0°時）才有2倍抓力。

3.船舶主機推力大小分析

船舶推進力由船舶主機產(chǎn)生，船舶主機額定功率與船舶推進力的關(guān)系根據(jù)我國打撈局經(jīng)驗公式描述為1 kW=0.133kN 或者 7.5kW=1kN得出經(jīng)驗公式如下：

式中：F 為主機推力（N）；W 為主機額定功率（kw）。

4.船舶所受風(fēng)力分析

船舶水面以上面積（簡稱受風(fēng)面積）的風(fēng)壓總和稱為風(fēng)壓力。風(fēng)壓力的作用改變了船舶的動力學(xué)狀態(tài)，進而改變了船舶的運動狀態(tài)。作用于受風(fēng)面積的中心的風(fēng)壓力也稱為風(fēng)壓合力，根據(jù)Hughes在1930年提出的風(fēng)壓力表達式為：

式中：Fa為風(fēng)壓力；Ca為風(fēng)壓力系數(shù)（根據(jù)風(fēng)舷角θ查表1可得）；ρa為空氣密度1.226kg/m3；Va為相對風(fēng)速（m/s）；A為水線上船體正面積（m2）；B為水線上船體側(cè)面積（m2）；θ為相對風(fēng)舷角（風(fēng)與船舶縱中線夾角）；

5.船舶不同狀態(tài)受風(fēng)面積分析

船舶載貨情況一般分為滿載、半載、空載，本文主要分析這三種狀態(tài)下的船舶側(cè)面以及正面受風(fēng)面積的計算方法。本文不考慮船舶舾裝數(shù)及船舶受風(fēng)中心力矩的關(guān)系，本文主要從船舶實際出發(fā)計算可見面積的正面及側(cè)面正投影面積。

滿載時，要充分考慮船舶貨物積載情況、平倉、船舶吃水、不同航區(qū)的干舷數(shù)據(jù)等實際情況，測出帆布（內(nèi)河船）離主甲板高度、實際干舷、生活區(qū)建筑物高度及寬度以及其他加建構(gòu)筑物的情況。

半載時，除了滿載考慮情況外，半載狀態(tài)的水線測算是用滿載吃水的一半來計算，半載也要考慮貨倉帆布遮蔽情況，一般同滿載計算同樣面積。

空載時，一般認為帆布不會遮蔽，根據(jù)船舶受風(fēng)情況要考慮貨艙口圍板高度產(chǎn)生的投影面積。

6.船舶錨鏈的破斷力分析

錨鏈需要較好的維護和保養(yǎng)才能達到最佳的使用工況，本文根據(jù)錨鏈處于最佳狀態(tài)時的情況計算，錨鏈的破斷力直接影響錨的系留力是否發(fā)揮最大效力。船舶錨鏈最小破斷力根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016版）以及中人民共和國國家標(biāo)準GB8918-2006重要用途鋼絲繩等文獻可以查詢參考標(biāo)準。

7.實例計算分析

某散貨船“L”輪總噸850，凈噸476，船長55.25米，船寬10.80米，空載吃水0.623米，滿載吃水3.650米，配備左右首錨各600kg，首錨類型為粵桂錨。左右首錨錨鏈均為柔韌鍍鋅鋼絲繩，左右首錨索直徑均為24mm，主機功率420KW，根據(jù)船舶實際尺寸計算出滿載側(cè)面受風(fēng)面積為186.8 m2，滿載正面受風(fēng)面積為48.4m2，半載側(cè)面受風(fēng)面積為270.4m2，半載正面受風(fēng)面積為64.7m2，空載側(cè)面受風(fēng)面積為281.7m2，空載正面受風(fēng)面積為81.1m2?，F(xiàn)根據(jù)上述公式計算出船舶走錨最小風(fēng)級。

（1）根據(jù)公式1中P=Wa×λa+Wc×λc×L1，已知本船首錨為錨鏈為鋼絲繩，錨鏈的補充抓力不計。經(jīng)查海圖知某水域底質(zhì)大多為沙泥（沙土），取λa=7。根據(jù)公式為得出此船單錨抓力為35685N，雙錨拋一點錨時有最大抓力為71371N。

（2）根據(jù)公式2中F=0.133×W，可得本船主機額定功率輸出推力為55860 N。（L船在防臺中采用轉(zhuǎn)速為1300RPM，額定轉(zhuǎn)速為1800RPM，則最大推力為40343N。）

（3）根據(jù)公式3中：

Fa=1/2×Ca×ρa×Va×（Acos2θ+Bsin2θ），根據(jù)不同風(fēng)舷角的正側(cè)面受風(fēng)力數(shù)據(jù)。

（4）根據(jù)已知本船船舶錨鏈直徑24mm的柔韌鍍鋅鋼絲繩，經(jīng)查詢《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016版）以及中人民共和國國家標(biāo)準GB8918-2006重要用途鋼絲繩等參考標(biāo)準得知該錨鏈最小破斷力為312000 N，滿足雙錨的最大抓力要求。

（5）根據(jù)測算得出以下結(jié)果：

（6）根據(jù)《船舶抗風(fēng)能力與氣象風(fēng)級關(guān)系探討》文獻對船舶動力學(xué)風(fēng)壓與風(fēng)速描述的關(guān)系公式

P=0.7356V2 （公式4）

式中：V指風(fēng)速（m/s）；

驗算滿載側(cè)面受實際風(fēng)力數(shù)據(jù)如下：

F=P×S=0.7356×V2×S，V取=28.4m/s，S取滿載側(cè)面積186.8m2，得出F=110829N，根據(jù)公式3計算出滿載90°時十級風(fēng)風(fēng)力為F=115447.4N，與公式4得出結(jié)果F基本吻合，說明計算方法選取公式合理。

（7）“L”輪在臺風(fēng)中走錨實際情況：該船拋單錨滿載在2017年某臺風(fēng)中風(fēng)力不足10級情況下發(fā)生走錨，在使用雙車頂推仍無法有效控制船舶走錨。

8.結(jié)束語

根據(jù)實例結(jié)果分析，本文測算船舶錨泊抗風(fēng)等級的分析顯示：

（1）船舶所受風(fēng)力會隨風(fēng)力不斷變化而變化，風(fēng)舷角一般為船首左右90°之間偏蕩，并在船首左右60°附近時此船所受風(fēng)力最大，因此不能按照船舶0°受風(fēng)情況來考慮防走錨。應(yīng)按照對船舶最不利的風(fēng)向來考慮本船的風(fēng)致走錨。

（2）根據(jù)船舶動力學(xué)風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系公式4驗算可受承受風(fēng)力結(jié)果與走錨最小風(fēng)力計算結(jié)果基本吻合；

（3）拋雙錨時設(shè)定拋一點錨，此時雙錨夾角為零，產(chǎn)生抓力最大；

（4）本文計算方法只測算船舶因風(fēng)走錨的情況，不考慮流、浪以及船舶的水密性、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強度、錨鏈或鋼絲錨索破斷強度等其他因素的影響。

（5）本文計算方法可以根據(jù)已知量對不同船舶進行推廣，對指導(dǎo)船舶防臺、錨泊等受風(fēng)情況分析具有重要意義。依照本文各組公式，已知船舶相關(guān)數(shù)據(jù)可以在較短時間內(nèi)計算出風(fēng)致船舶走錨最小風(fēng)力。

對于無抗風(fēng)能力數(shù)據(jù)的船舶，擬在受臺風(fēng)影響的范圍內(nèi)采取錨泊防臺措施時，可參考本文的計算方法和計算公式，核算出本船在當(dāng)前狀態(tài)下可能發(fā)生走錨的最低風(fēng)力。在核算后本船風(fēng)致走錨不可避免時，應(yīng)盡早轉(zhuǎn)移至安全水域錨泊避風(fēng)，以策安全。臺風(fēng)情況下，臺風(fēng)風(fēng)力增大，水面浪高也會增大，對船舶的錨系留力、水密和穩(wěn)性要求更高，雖然滿載時受風(fēng)面積較小，相對不易風(fēng)致走錨，但因干舷低受水流、波浪影響大，也可能導(dǎo)致走錨和進水。在防臺過程中，臺風(fēng)路徑變化多、風(fēng)力增強概率大，很難準確預(yù)測，克服麻痹思想，寧可防而不來，不可來而無防。船舶防抗臺風(fēng)，以避為主。

參考文獻：

[1]廣東省港務(wù)監(jiān)督局船員培訓(xùn)教材編輯委員會.船舶駕駛（上冊）[G].1997.12.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.重要用途鋼絲繩（GB8918-2006）[S].2006.

[3]洪碧光.船舶操縱[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

[4]洪碧光，房希旺，卜仁祥.船舶操縱[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5]周社寧.船舶抗風(fēng)能力與氣象風(fēng)級關(guān)系探討[G].2016年海事管理學(xué)術(shù)論文匯編.2016.

[6]中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[S].2016.

[7]中華人民共和國海事局.內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則[S].2011.

[8]閆澍旺，任宇曉，孫立強，郭炳川.砂土中的拖錨模型試驗及錨抓力計算方法研究[J].中國造船.2016.3.

[9]李宇服，周俊，陳琦.欽州港錨地規(guī)劃及錨抓力研究[J].中國水運.2009.9.